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萬億智能建造市場:建筑機器人崛起

2022-07-09

30萬億的建筑市場,在未來十年將出現千萬級建筑工人缺口;建筑行業數字化、自動化是不可逆的趨勢。


目前,建筑機器人在海外出現批量推廣趨勢,國內應用還處于早期階段,參與其中的既有建筑施工單位、機械設備生產商及地產公司,也有建材企業的科技公司,并涌現出一批機器人、自動化背景的創業團隊。


從切入點來看,建筑機器人公司在設計、施工、運維、拆除等建筑生命周期的各個節點都有嘗試,但絕大多數還是聚焦在施工環節。除博智林之外,建筑機器人公司都聚焦在某個施工場景、或某類施工工藝環節。


由于施工環境復雜、工藝流程多樣化等因素,現場施工機器人目前很難實現端到端的解決方案,更多以人機協作的方式實現閉環作業,創業公司基本以機器人工程服務的商業模式進入市場。而裝配式工廠生產機器人及配套施工機器人由于環境相對標準、數字化效果明顯,也有廣闊的運用市場。


現階段,建筑機器人在施工危險度較高、工藝復雜度較低、機器人 ROI 較高的場景會較先落地,并實現規模化應用。此時此刻,正是布局建筑機器人早期藍海市場的好時節。


一、萬億級建筑業數字經濟賽道


建筑業全生命周期數字化及垂直領域數字化(來源:信天創投內部分享,楊濤)


2021 年,建筑行業總產值達到 29.3 萬億元,是中國國民經濟的支柱產業之一,也是產業數字化發展的重要領域之一。據中國建筑協會統計,中國建筑信息化投入在建筑業總產值中的占比僅為 0.08%,而歐美發達國家為 1%,有非常大提升空間。


從建筑全生命周期來看,無論是前期的設計、招標階段,還是中期的施工建設階段,包括主體施工完成后的裝修階段,以及入住后的運維階段,再到Z后的拆除階段,都存在巨大的數字化改造空間。


在設計階段,Z核心的是設計工具,已經有較成熟的 CAD 軟件,類似海外的 Rhino、Autodesk   Revit、國產的中望軟件等,數字化機會來自 BIM 軟件在正向設計領域的推廣、云端協同工具以及國產化替代等。


在招標階段,廣聯達過去十年逐步占據了的算量、造價工具絕大部分的市場,另外還有品茗、魯班等廠商,數字化的機會主要是頭部公司云化轉型、以及往上游設計段和下游施工段信息化的滲透,形成 " 平臺 + 建模 + 應用 " 的橫向一體化生態。


施工階段是組織建筑工人、利用機械設備、進行物料搬運,并高效的完成建造。它又可分為兩段,一段是工廠預制,另一段是現場施工。在工廠預制段,主要是建筑主材的設計和工廠化生產,以鋼筋、混凝土、模板三大主材為核心,通過標準化工廠制造可以充分發揮數字化的優勢以及機器人、自動化設備高效、質量穩定的特點。預制件運輸到施工現場,通過升降機、吊塔、機械臂等設施完成裝配。


目前,裝配式建筑還處于起步階段,而絕大部分現場施工是由 5100 多萬建筑工人完成的,它的數字化、自動化提升是巨大的市場。這其中即包含機器人的機會,也有大量協同管理和信息化、智慧化工具的機會。


在房建、基建步入存量市場的大背景下,建筑運維階段的數字化就愈發重要。建筑材料的創新、裝配式建筑的推廣以及節能減排、綠色低碳建筑將是確定性的機會。


二、建筑機器人替人趨勢不可逆轉


建筑行業的內生需求、以及機器人技術的發展規律共同決定了建筑機器人的應用趨勢具有不可逆性。


1.建筑工人數量下降、老齡化嚴重


來源:根據國家統計局《農民工監測調查報告》整理


建筑業是勞動密集型產業。被稱為 " 基建狂魔 " 的中國充分利用了 60 后、70 后的人口紅利,成長為全球較大的建筑市場,但這種紅利正在加速消失。


據國家統計局的數據顯示,2014 年中國建筑工人數量達到 6109 萬頂峰,之后以平均每年超過 100 萬人的數量在減少,到 2021 年底下降到 5164 萬人,7 年減少了近 1000 萬。這個趨勢是不可逆的,而且還會加速。因為建筑工人的老齡化將越來越嚴重。


10 年前,建筑工人的主力是 20-40 歲的一批人,也就是 60 后、70 后;10 年后,建筑工人的主力是 40-60 歲的一批人,還是就是 60 后、70 后。特別是 16 歲 -30 歲的年輕人,10 年前占據一半,現在只有不到 1/4,這說明年輕人不再選擇進入建筑工地務工。未來 10 年,隨著 90 后、00 后成為勞動力市場主力,60 后、70 后逐步退出。


可以預見地,中國建筑工人數量將出現斷崖式的下跌。在嚴峻的勞動力短缺形勢下,建筑行業有非常強烈的自動化設備、機器人替代人的內生需求。


2.機器人技術在建筑業應用的播種期


從機器人行業的發展規律來看,為什么現在是建筑機器人早期投資的好時點?機器人在細分領域應用發展的三大核心推動力——一,人力短缺且成本快速上升;第二,核心傳感器、BOM 成本快速下降;第三,細分行業自動化升級需求強烈,且機器人控制算法逐步穩定。由于行業、賽道發展階段的不同,機器人在細分領域的落地應用呈現波浪式增長趨勢。



機器人在部分細分領域的應用發展階段


機器人賽道先成熟的是工業機器人,以大六軸機器人為代表,特別是汽車產業帶動的機器人自動化浪潮,它的特點是場景結構化、標準化,機器人固定在特定的工位,高效、準確的完成工序,比如焊接、噴涂、打磨等。


該細分領域高端市場被海外 " 四大家族 "(安川、KUKA、FUNAC、ABB)統治,中低端市場國內形成埃斯頓、埃夫特、新松、大族為代表的一批國產上市公司。2015 年以來,伴隨 3C 消費電子、醫藥等領域的擴張周期,工業柔性生產場景對自動化產生了巨大的需求,國內協作機器人迎來機會。經過 5-6 年發展,國內已經形成傲博、節卡、艾利特、珞石為代表的一批頭部創業公司。


第二波機器人發展是移動機器人賽道,它的特點是機器人不固定,需要自動規劃路徑,做到精準移動、抓取、搬運。行業的發際是 2012 年 Amazon 收購 KIVA,讓移動 AGV 在物流場景大批量使用,大幅提升自動化搬運效率。


伴隨國內電商、跨境電商倉儲需求的爆發,2015 年左右,國內移動機器人創業項目開始出現,2019 年以來,隨著激光雷達、視覺傳感器的成本下降,以及場景算法的穩定,以 GEEK+、快倉、海柔創新為代表的倉儲機器人迎來了高速增長期。


隨后,難度更高的、針對工業柔性物流場景的無人叉車、移動復合機器人也快速發展起來。同一時期,以普渡、擎朗、云跡為代表的服務機器人在海內外崛起,并伴隨新冠疫情的出現迎來了快速增長。


這兩波機器人發展的趨勢,可以清晰看到三大核心推動力的共同作用。我們看到,在建筑機器人賽道,由于海外人力成本更高、傳感器、算法能力更強,已經成長出 Built Robotics、Dusty Robotics、Construction Robotics 等一批優秀創業公司。


而國內人力短缺、成本快速上升,機器人 BOM 成本快速下降,兩大條件已經成熟,同時建筑信息化、智能化的內生需求也非常強烈,就差控制能力和算法能力跟場景工藝適配,因此,一批早期創業公司專注到建筑機器人賽道開始探索行業的未來。


站在這個時間節點,就像 AGV 機器人在 2015 年的階段、以及無人叉車、移動復合機器人在 2019 年的階段,正是早期投資布局建筑機器人的黃金節點。


3.政策大力支持建筑機器人行業發展


近年來,從國家部委到地方政府紛紛推出了一系列支持建筑機器人行業發展的政策、規劃(如表 1 所示),著力加快建筑機器人研發和應用。特別是住建部出臺的《" 十四五 " 建筑業發展規劃》,強調要加快新型傳感、智能控制和優化、多機協同、人機協作等建筑機器人核心技術研究,研究編制關鍵技術標準;積極推進建筑機器人在生產、施工、維保等環節的典型應用,重點推進與裝配式建筑相配套的建筑機器人應用,輔助和替代 " 危、繁、臟、重 " 施工作業。


2020 年以來密集出臺支持建筑機器人行業發展的政策(來源:住建部)


三、海內外建筑機器人公司簡介



建筑機器人產業鏈


建筑機器人行業的產業鏈上游包括機器人通用組件和建筑專用設備;中游是建筑機器人公司,他們依靠環境感知算法、導航定位算法、執行規劃算法、機械控制算法以及建筑行業的工藝流程知識,研發生產建筑機器人;下游是地產公司、建筑公司、預制工廠以及施工隊等使用建筑機器人在各種場景落地。


建筑行業機械設備比較成熟的商業模式是租賃為主、銷售為輔,但由于建筑機器人還處于早期階段,技術成熟度、場景穩定性都在提升中,建筑機器人公司使用自家機器人設備外包施工也非常普遍。


建筑機器人按照施工階段和工藝場景分類(來源:根據公開信息整理)


建筑機器人按照建造階段可以分為設計、施工、運維、拆除四個階段的建筑機器人。施工階段的建筑機器人又可以根據具體施工場景和施工工藝分為諸多細分領域,包括實測實量、鋼材預制捆扎、基坑施工、墻體筑造、墻體噴涂、打磨、地磚墻磚鋪設、地面平整、輔助搬運、進度監測等。


1.海外建筑機器人公司介紹


歐美和日韓早在上世紀 80 年代就開始嘗試機器人在建筑行業應用,進入新世紀以來,更是將建筑智能制造、工業化發展提升到國家戰略的高度,并出臺一系列發展政策。歐美高校也走在建筑機器人研究、應用的前沿。例如 MIT 機器人實驗室推出過一些列建筑機器人:" 材料創新 +3D 打印 " 建造機器人、外骨骼輔助機器人 SRA 及 SRL 等。


海外建筑機器人代表企業(來源:根據公開信息整理)


上表中列舉了 60 多家海外建筑機器人公司,他們的切入點覆蓋建筑全生命周期的各個階段,并在各種應用場景都有落地案例。其中多家公司的機器人產品已經在市場上批量化使用,并取得明顯成效。


例如美國建筑機器人明星項目 Construction   Robotics 公司推出的 SAM(Semi-Automation   Mason)系列半自動砌磚機器人,配合自主研發的 3D 磚塊測圖軟件,能夠在 8 小時工作時間內針對任意尺寸的墻面自主完成 3000 塊磚的堆砌工作,效率是傳統人工作業的 6-8 倍。


同時,基于軟件端不斷更新的數據庫,SAM 機器人能夠及時提供準確的、由數據驅動的分析報告。再比如,累計融資超過 1.1 億美元的 Built   Robotics 公司利用自動化機器人以及配套的軟件和傳感器把現有的挖掘機改裝成建筑機器人,解決了基坑建設場景中人工作業難以精準尺度挖坑的難點,并累積完成了超過 1.5 萬小時施工作業。


Built   Robotics 的自動挖掘機產品(來源:Built   Robotics 公司官網)


從實際落地進展和效果來看,海外建筑機器人公司發展呈現幾個趨勢:


一,建筑機器人與 BIM 模型協同作業,實現施工的可計劃性,提升過程的信息化程度,同時提高施工的精準性;第二,3D 實測實量極大提升信息收集效率和準確性,在諸多機器人作業場景緊密配合;第三,裝配式工廠預制自動化生產替代部分現場施工,通過數字化、工業化生產提高效率,保障質量一致性;第四,以人機協同作業為起步點,不追求工藝場景的全流程自動化;第五,從一性原理出發,實現建筑材料創新和 3D 打印施工流程相結合。


2.國內建筑機器人公司介紹


中國Z早進行建筑機器人探索的有三股力量:


一則是以中建科技、上海建工、中交土木科技為代表的大型建筑集團的科技部門或科技子公司,他們大多強調 " 工業化、數字化、一體化 " 的平臺化思維,從建造全局出發研發建筑機器人和信息化生態,自研機器人主要聚焦在與裝配式相關的鋼結構、鋼筋、PC 預制自動化設備,在現場施工端更多與三方科技公司聯合研發機器人產品或提供落地應用場景;


第二股力量是以三一重工、中聯重科、徐工集團為代表的建筑機械設備廠商,他們的核心能力是機械設備研發制造,在智能感知、自主控制方面還有短板,重點研發原有機械設備的智能化升級,選擇跟三方科技公司合作落地施工場景案例;


另外一股力量是以東方雨虹、海螺水泥為代表的建筑材料廠商,他們的核心訴求是綁定下游場景使用建材,因此通過研發智能化施工設備賦能施工團隊或 " 合伙人 " 更好、更多的使用本公司建材。


雖然 2018 年以前,上述三股力量都在探索建筑機器人方向,但建筑機器人行業的熱度是由地產巨頭碧桂園的大手筆投入博智林帶動起來。博智林作為建筑機器人 " 黃埔軍校 ",招攬了大量機器人、建筑機械、地產、施工管理、建筑材料、建筑信息化等行業的優秀人才,先后研發數十款建筑機器人,并在內部實現小批量試用。


重要的是,跨學科的人才在博智林的交匯打開了彼此的視野,在離開之后紛紛成立創業公司,加入到建筑機器人的藍海探索。

建筑機器人 " 黃埔軍校 " ——博智林的部分產品系列(來源:博智林公司官網)


與海外建筑機器人行業逐步進入批量化推廣應用階段不同,中國建筑機器人行業還處于早期階段,絕大多數企業還在進行 PMF 探索。除了上面提到的幾股力量,近年來有一批創業公司投身到建筑機器人賽道,如下表所示。


國內建筑機器人公司代表企業(來源:根據公開信息整理,如有不準確,請聯系作者;融資信息時間截止 2022.6.15)


四、現階段建筑機器人公司的挑戰及機會


雖然建筑機器人的早期投資在持續升溫,但是建筑機器人公司的商業落地還存在較大挑戰。在倉儲機器人行業跑通的項目制模式、在服務機器人行業基本跑通的 RaaS 模式似乎都還比較遙遠,更多的創業公司還處于產品研發、場景適配和多點 POC 過程中,商業模式以施工外包服務為主,頭部創業公司合同收入也在千萬元級別。究其原因,挑戰來源于幾個方面:


一,技術穩定性挑戰。如圖 8 所示,建筑機器人面臨作業場景多樣復雜及移動變化的挑戰,在環境感知、定位導航、路徑規劃、運動控制等方面都存在技術難點,特別是在復雜的工藝場景知識庫方面需要更高的適配性研發投入。



建筑機器人公司的技術挑戰


第二,場景切入點挑戰。以大量創業公司切入的室內噴涂為例,傳統人工在地面使用噴涂設備作業的成本在 70 元 / 平米,而且人站在地面的移動靈活性非常高,其施工效率高于機器人作業的效率,機器人的 ROI 明顯偏低。同時,機器人由于技術成熟度和工藝流程問題,很難獨立完成端到端的施工。比如,在房建外墻的真石漆噴涂場景,底漆噴涂之后需要貼一層美紋紙分割,再噴仿石層面漆,并在適當時間立即撕去美紋紙,但機器人沒法完成貼紙、也沒法判斷撕去美紋紙的合適時間,這些復雜工序都需要人工協作,整體效率偏低。


第三,商業模式挑戰。傳統施工設備都是開箱即用的標品,其計價簡單,租賃是比較成熟的商業模式,但是,機器人施工目前難以開箱即用、獨立完成作業,就很難按照設備租賃或銷售的模式推廣。


第四,施工使用難度。由于上面一點提到的技術挑戰,目前,建筑機器人除 3D 實測實量工具等少數產品能通過簡單培訓就讓普通工人使用,絕大部分產品都需要專業技術團隊現場設置作業。


雖然存在短期挑戰,但是在勞動力缺口和成本上升、以及減排節能的迫切約束下,建筑機器人行業的發展趨勢具有不可逆性,屬于行業或者創業公司的機會也會不斷涌現:


一,從場景選擇來看,部分場景創業公司可能會率先實現規模化落地:比如工廠預制場景(鋼筋、鋼結構、復合材料等),可以依靠 BIM 等數字化打通供應鏈、工廠和施工端數據,做到大批量高效生產、節省材料成本、提升工程一致性;比如高空作業等場景,由于危險性高、且人在高處(舉升平臺)作業的靈活性大大低于機器人,機器人作業的 ROI 顯著提升;再比如市政、橋隧作業噴涂場景,其外觀要求、精細度要求遠低于房建,且工藝流程復雜度較低,機器人更容易實現端到端的施工交付。


第二,從商業模式角度看," 機器人施工隊 " 可能成為未來的建筑工程隊主力。未來的建筑隊可能就是包工頭帶著一堆機器人,但施工隊需要完整解決方案,而不是單一的機器人,這就需要出現新型自動化的建筑公司。東方雨虹做智能裝備的邏輯值得創業公司借鑒:東方雨虹智能裝備公司專注防水施工專用設備,依靠東方雨虹在各地的施工合伙人(小的施工公司、包工頭,主要做包工包料,綁定用東方雨虹的產品)渠道推廣使用,核心是提高他們的施工效率、提升施工質量。目前有兩款產品是做得比較成功——一款是防腐卷材自動攤鋪機;第二款是防腐材料噴涂機。


Z后,從團隊構成來看,擁有機器人研發能力、建筑設計、施工經驗以及數字化平臺搭建能力的復合背景團隊有可能率先實現突圍。建筑機器人是建筑行業數字化、智能化的重要一環,它避免了施工過程中人工作業的不一致性、數據離散性,解決了建造過程中的非標的問題。


從長期趨勢來看,建筑機器人要大規模運用需要從建筑行業的一性出發,結合材料、工藝和流程創新,考慮地產商、建筑公司、設備租賃商、施工隊以及監管方的多方關系和利益,不單單是執行環節的機器替人。因此,對于創業團隊來說,既需要找準早期Z可能規模化應用的場景、研發出適應場景的機器人產品,還需要對建筑設計和全流程工藝有深入理解,Z終實現端到端的智能建造解決方案。


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